Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу Материаловедение для студентов направления Металлургия. Юрьева В.А., Горожанкина О.В

12

ваемость. С ростом аустенитного зерна, т.е. с сокращением суммарной поверхности зерен, устойчивость переохлажденного аустенита возрастает и прокаливаемость повышается.

Количественной характеристикой прокаливаемости является критический (реальный) диаметр. Критическим диаметром называется тот наибольший диаметр образца, при котором сталь в данном охладителе прокаливается полностью, т. е. в центре образца твердость соответствует твердости мартенситной или полумартенситной зоны.

Существует стандартный способ характеристики прокаливаемости по торцевой пробе. Эта проба осуществляется путем торцевого охлаждения водой образца длиной 100 мм и диаметром 25 мм (рис. 13) после нагрева его до температуры аустенизации (на 30-50 ^оС выше точек А₁ или А₃ в зависимости от содержания углерода в стали). Атмосфера в печи должна быть нейтральной, в противном случае образец нужно помещать в железный ящик, охлаждаемым торцом на графитовую или угольную подставку. Выдержка образца при температуре закалки после прогрева в печи составляет 30 минут. Затем нагретый образец вынимается из печи, быстро переносится в специальное приспособление (кронштейн с установочной шайбой) установки для торцевой закалки (рис. 13)

Рис.13

13

В приспособлении образец с одного торца интенсивно охлаждается струей воды, имеющей температуру 10-25 ^оС в течение 10-15 минут до полного охлаждения. Диаметр сопла (наконечника от подводящей трубы) равен 12,5 мм; расстояние от торца образца до сопла – 12,5 мм; высота свободной струи воды (до установки образца) – 65 мм.

Скорость охлаждения образца в разных точках будет различной. Наибольшая скорость охлаждения в этих условиях будет у охлаждаемого торца. По мере удаления от торца скорость будет постепенно снижаться и на другом конце образца соответствовать скорости охлаждения на воздухе.

После закалки образец подвергается испытанию на твердость. Для этого по длине образца с двух противоположных сторон сошлифованы на глубину 0,2-0,5 мм две лыски. Измерив твердость по средней линии лыски цилиндрического образца через каждые 1,5 мм, строят кривую зависимости твердости от расстояния от торца (рис. 14). Горизонтальная площадка на кривой изменения твердости соответствует твердости мартенсита и структуре мартенсита, затем в направлении центра в образце будет смешанная структура, состоящая из мартенсита и троостита, далее троостит и т.д. Следовательно, точка 2 характеризует критическую скорость закалки.

Рис.14

14

Так как точное определение расстояния от торца до конца горизонтальной площадки (в) затруднительно и может привести к ошибкам, то в качестве показателя прокаливаемости используют расстояние до полумартенситной зоны (а) на рисунке 5а. Полумартенситная твердость (HRC_пм) зависит от содержания углерода в стали и практически мало зависит от содержания легирующих элементов. Для углеродистой стали она может быть определена по данным таблицы.

Таким образом, зная содержание углерода в стали и измерив твердость на боковой поверхности образца, находят расстояние от закаливаемого торца до слоя с полумартенситной структурой. Определив это расстояние, можно узнать сечение тела, изготовленного из данной стали, которое будет прокаливаться насквозь с получением в сердцевине полумартенситной структуры. Для этого используется специальная номограмма (рис. 15), которая позволяет определить критический диаметр в зависимости от формы тела (шар, цилиндр, квадратный брусок с различными отношениями длины к диаметру L/D или к стороне основания L/a) и характера охлаждающей среды (вода, масло, воздух). Номограмма разработана и предложена для использования М.Е. Блантером.

Чтобы характеристика прокаливаемости стали не была связана с видом охладителя (вода, масло и др.), используют понятие об идеальном критическом диаметре, который соответствует закалке в идеальном охладителе. Идеальный охладитель с бесконечно большой скоростью отводит тепло от поверхности изделия; поверхность образца при этом мгновенно принимает температуру закалочной среды. Каждая марка стали характеризуется интервалом идеальных критических диаметров, так как прокаливаемость разных плавок одной марки стали различна.

15

Рис. 15

16

Определение критического диаметра по номограмме (рис. 15) производится следующим образом. На верхней шкале нужно найти расстояние до полумартенситной зоны x в мм, которое было определено опытным путем на стандартном образце исследуемой стали. От найденной точки опускают перпендикуляр до линии «Идеальное охлаждение». От точки пересечения а (рис. 15) проводится горизонтальная линия влево до пересечения с линией, соответствующей заданной охлаждающей среде (например, вода). От точки пересечения b опускается перпендикуляр до шкалы «Форма тела», на которой и находим ответ, т.е. диаметр цилиндра, шара или сторону куба в мм, имеющего в центре полумартенситную структуру.

Прокаливаемость стали зависит от критической скорости охлаждения. Чем меньше критическая скорость охлаждения, тем больше прокаливаемость.

Критическая скорость охлаждения зависит от всех факторов, влияющих на устойчивость переохлажденного аустенита. К таким факторам относятся: химический состав аустенита, нерастворенные частицы карбидов и окислов, размер аустенитного зерна. С повышением концентрации углерода и большинства легирующих элементов в аустените С-кривые сдвигаются вправо, критическая скорость охлаждения уменьшается и, соответственно, прокаливаемость возрастает. Нерастворенные частицы карбидов и других включений, являясь центрами распада аустенита, увеличивают критическую скорость охлаждения и, соответственно, снижают прокаливаемость. С ростом аустенитного зерна, т.е. с сокращением суммарной поверхности зерен, устойчивость переохлажденного аустенита возрастает и прокаливаемость повышается.

Задание

Для проведения работы подгруппа студентов делится на две бригады. Одна бригада получает стандартные образцы из углеродистой стали, например, стали 40, а другая – из легированной стали, например, стали 40Х, прокаливаемость которых требуется определить.

17

Определив температуру закалки стали, нагревают образец в печи до этой температуры, выдерживают в течение 30 минут, быстро переносят в установку для торцевой закалки и закаливают с одного конца струей воды. Перед закалкой необходимо ознакомиться с устройством установки и условиями закалки, которые должны быть строго выдержаны.

После охлаждения образец зачищается с двух сторон (сошлифованные лыски), и от закаленного торца через каждые 1,5 мм измеряется твердость. По полученным данным строят график HRC = f( ).

По содержанию углерода в стали по таблице 1 находят величину твердости полумартенситной зоны. Определив расстояние полумартенситной зоны от торца по номограмме М.Е. Блантера, устанавливают критический диаметр D_кр для данной стали в заданном охладителе.

Путем сопоставления данных, полученных на двух разных марках стали, выявляют влияние легирующих элементов на прокаливаемость стали.

Требования к отчету

Записать марку и химический состав исследуемых сталей.

Выполнить эскиз установки для испытания сталей на прокаливаемость методом торцевой пробы.

Записать таблицу 1 и ключ к номограмме.

Представить графики «твердость - расстояние от закаленного торца», построенные по экспериментальным данным.

Сопоставить прокаливаемость углеродистой и легированной сталей.

Контрольные вопросы

1. Что называется прокаливаемостью стали?

2. Какая скорость охлаждения при закалке называется критической?

18

3. Расскажите принцип определения прокаливаемости методом торцевой пробы

4. Что понимается под идеальным критическим диаметром и как его определить по номограмме Блантера М.Е.?

5. Как влияет критическая скорость закалки на прокаливаемость стали?

6. Как влияет содержание углерода и легирующих элементов на прокаливаемость стали?

Лабораторная работа №15 анализ микроструктуры цветных сплавов

Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий кристаллизуется в кубическую гранецентрированную решетку. Он не имеет полиморфных превращений. Характерными свойствами алюминия является малый удельный вес (ρ = 2,72 г/см³), высокая пластичность (δ = 35-40%), низкая температура плавления (658⁰С), высокая тепло- и электропроводность. Однако чистый алюминий как конструкционный материал применяется ограниченно из-за низких прочностных свойств: ( _в = 80 Мпа, НВ 25). Введение легирующих элементов, таких как медь Cu, магний Mg, марганец Mn, железо Fe, кремний Si, позволяет значительно улучшить механические свойства алюминия Al и в ряде случаев создает условия для дополнительного упрочнения сплавов в результате термической обработки.

В соответствии с диаграммой состояния алюминий - легирующий элемент (ЛЭ) все сплавы на основе алюминия делятся на три класса: деформируемые неупрочняемые термической обработкой, деформируемые термически упрочняемые и литейные.

Деформируемые термически неупрочняемые сплавы имеют однофазную структуру однородного - раствора на основе алюминия Al; концентрация ЛЭ в диапазоне от точки О до точки F (рис. 16).

Деформируемые термически упрочняемые сплавы имеют двухфазную структуру + А_mВ_п, где А_mВ_п – интерметаллическое соеди-

19

нение; концентрация ЛЭ от точки F до точки D^' (рис.16).

Литейные сплавы (концентрация ЛЭ от точки D^' до точки Е^', рис.1) претерпевают эвтектическое превращение, и поэтому основной их структурной составляющей является механическая смесь двух фаз ( + А_mВ_п) – эвтектика. Наличие эвтектики, обладающей жидкотекучестью, обеспечивает этим сплавам хорошие литейные свойства.

Рис. 16

Деформируемые сплавы.

1. К деформируемым термически неупрочняемым сплавам относятся сплавы, легированные магнием Mg и марганцем Mn (обозначаются соответственно АМг и АМц). Среднее содержание Mg и Mn в процентах обозначается цифрами, например, АМг3. Эти сплавы обладают невысокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.

Содержание марганца в этих сплавах не превышает 1,6%. При содержании марганца до 0,3% он находится только в твердом растворе, при большем количестве он частично будет находиться в виде интерметалличнского соединения MnAl₆, не растворяемого в алюминии.

20

Содержание магния в деформируемых алюминиевых сплавах колеблется от 2 до 7%. Магний с алюминием образует несколько интерметаллических соединений: Mg₂Al₃ и Mg₄Al₃. Сплавы, содержащие больше 3% магния могут подвергатьтся упрочняющей термической обработке, но эффект от упрочнения будет невелик, и поэтому этот путь упрочнения сплавов не используется.

Упрочнение сплавов данной группы достигается только путем холодной обработки давлением (наклепа).

2. Выше отмечалось, что сплавы на основе алюминия Al с концентрацией ЛЭ от точки F до точки D^' (рис. 16) способны термически упрочняться. Такая способность обусловлена наличием в этих сплавах переменной растворимости легирующего элемента в соответствии с положением линии DF на рис. 16. Из этого класса алюминиевых сплавов наиболее распространены так называемые дуралюмины. Основным легирующим элементом в них является медь Cu (до 4,5 % Cu). Кроме меди, дуралюмин содержит магний Mg и марганец Mn.

Структура этих сплавов в отожженном состоянии состоит из твердого раствора легирующих элементов в алюминии и частичек второй фазы, растворяемых в алюминии с повышением температуры, таких, как Θ-фаза (CuAl₂), S –фаза (CuMgAl₂), T –фаза (CuMg₅Al₅) (Рис. 17). Именно эти фазы являются упрочняющими при термической обработке.

Рис. 17

21

Термическая обработка алюминиевых сплавов заключается в закалке и последующем старении (дисперсионном твердении). Закалка основана на существовании переменной растворимости меди, магния и некоторых других элементов в твердом алюминии при повышении температуры (лабораторная работа №3).

После закалки структура сплава Д16 будет представлять собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии (рис. 18 а).

а б

Рис. 18

После естественного старения структура состоит из зерен пересыщенного твердого раствора и интерметаллических соединений алюминия с легирующими элементами, не растворившихся в твердом алюминии (темные включения на шлифе, рис. 18 б).

Высокопрочный деформируемый сплав В95 имеет следующий химический состав: 5-7 % Zn; 1,8-2,8 % Mg; 1,4-2,0 % Cu; 0,2-0,6 % Mn; 0,1-0,25 % Cr; остальное – Al. Сплав подвергается закалке и искусственному старению. Механические свойства сплава после термической обработки: _в = 540-560 МПа; = 10-12 %; HRB 14-17. Причем нижние пределы относятся к плакированным листам, а верхние - к профилям и пруткам. Структура сплава В95 после закалки и

22

старения состоит из зерен алюминиевого твердого раствора (светлый фон шлифа) и интерметаллических соединений (типичные включения на шлифе), не растворившихся при нагреве под закалку. Упрочняющими фазами в сплаве В95 являются тройные соединения: S- фаза (Al₂MgCu) и Т- фаза (Al₂Mg₃Zn₃), не видимые под оптическим микроскопом. Недостатком этого сплава являются низкая пластичность и коррозионная стойкость. Применение этого сплава без плакирования не рекомендуется (плакирование заключается в создании на обеих поверхностях листа тонкого защитного слоя, состоящего из чистого алюминия).

Жаропрочный деформируемый сплав АК4 имеет следующий химический состав: 2,2 % Cu; 1,6 % Mg; 1,25 % Ni; 1,35 % Fe; 0,85 % Si; 0,1 % Ti; остальное – Al. Применяется для поршней тепловых двигателей, обладает более высокими прочностью и твердостью при повышенных температура, чем дуралюмин. В этом сплаве содержится никель, который с алюминием и медью дает тройное соединение AlCuNi, а с алюминием и железом тройное соединение Al₉FeNi, нерастворимые в твердом алюминии, которые повышают жаропрочность сплава, делая структуру сплава более гетерогенной и препятствуя развитию процесса рекристаллизации. Фазы-упрочнители сплава АК4 S- фаза (Al₂MgCu) и W- фаза (Al₂CuMgSi), имеющие сложный состав, выделяются из твердого раствора и укрупняются (коагулируют) более медленно, чем CuAl₂ в дуралюмине, вследствие чего сплав АК4 более стоек против отпуска, т.е. обладает жаропрочностью. Присадка Ti в количестве меньше 0,1 % способствует образованию мелкокристаллической структуры (создает дополнительные центры кристаллизации). Термическая обработка сплава: закалка с 520 ^оС в воде и искусственное старение при 160 ^оС. Структура сплава после указанной термической обработки состоит из зерен алюминиевого твердого раствора (светлый основной фон шлифа) и интерметаллических соединений, не перешедших при нагреве под закалку в твердый раствор (темные включения).